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隨著(zhù)當今高清視頻技術(shù)的發(fā)展和4K超高清標準的即將出臺，視頻制作過(guò)程中需要更多的帶寬來(lái)傳輸源頭(如相機和存儲器)與匯集處(顯示器和存儲器)之間的視頻數據。輸出這些數據的傳統方法主要借助于數據USB接口或視頻輸出DisplayPort或高清晰度多媒體接口(HDMI)。而Thunderbolt接口的引入簡(jiǎn)化了系統接口配置，僅需一個(gè)接口就可滿(mǎn)足數據和視頻的傳輸需求。 隨著(zhù)視頻分辨率從高清到超高清的升級，數據的傳輸量和速率也在不斷提升。例如，一個(gè)像素分辨率為4096×2160、色彩模式為RGB444、色彩精度為12比特的4K視頻的原始未壓縮比特率為19.11Gbps或2.39Gbps，而這僅僅是一幀視頻的大小，如果存儲時(shí)長(cháng)為30s的該視頻，需要71.66GB的磁盤(pán)空間。 USB3.0是視頻接口技術(shù)的一個(gè)連接選項。然而，當用戶(hù)使用硬盤(pán)上存儲的視頻進(jìn)行實(shí)時(shí)編輯時(shí)，USB3.0會(huì )導致明顯的遲滯。主要原因在于，雖然擁有5Gbps的數據傳輸率，但USB特有的命令集并非是用來(lái)處理實(shí)時(shí)視頻傳輸的。此外，當多個(gè)USB裝置以菊花鏈方式連接在一起時(shí)，遲滯時(shí)間會(huì )更長(cháng)。 具有10Gbps數據速率的Thunderbolt接口可使結構設計實(shí)現實(shí)時(shí)視頻后期制作的理想速度、最小時(shí)滯和存儲能力。專(zhuān)業(yè)工作室和廣播視頻設備可在視頻采集卡、存儲設備、適配器及視頻顯示器中利用這一技術(shù)。此外，與其它串聯(lián)協(xié)議相比，Thunderbolt接口可通過(guò)配套電纜以菊花鏈方式最多外連6個(gè)設備，同時(shí)還不會(huì )大幅降低數據開(kāi)銷(xiāo)。 Thunderbolt簡(jiǎn)介 ThunderboltI/O技術(shù)由Intel公司開(kāi)發(fā)，每個(gè)接口配備兩個(gè)10Gbps全雙工數據路徑鏈路，要比Firewire800接口快達12倍。Thunderbolt采用64b/66b數據編碼格式，而Intel開(kāi)發(fā)的接口控制器可將PCI–Express和DisplayPort復用成為一個(gè)單數據流。Intel公司開(kāi)發(fā)的第一代控制器代號為L(cháng)ight Ridge，隨后的第二代、第三代控制器代號分別是Cactus Ridge和Redwood Ridge，而新一代(第四代)控制器的代號是Falcon Ridge。 在主機設備中，控制器從I/O控制器集線(xiàn)器中獲取PCI–Express數據，從I/O控制器中的負信號或如圖1所示的外部圖形控制器中獲取DisplayPort數據。接下來(lái)，該組合信號通過(guò)全雙工差分信號發(fā)出。一般情況下，每個(gè)控制器配備兩個(gè)端口，可進(jìn)行菊花鏈方式的連接。 Thunderbolt采用的是已有的迷你DisplayPort連接器，并已針對Thunderbolt信號的特點(diǎn)對該插槽進(jìn)行了重新設計。Thunderbolt還可兼容標準DisplayPort連接。 表1中對比了映射到迷你DisplayPort連接器上的Thunderbolt信號和標準DisplayPort信號。線(xiàn)纜可以是電纜或光纜，但無(wú)論哪一種線(xiàn)纜都必須要保持活動(dòng)狀態(tài)以確保接收端信號的完整性。對于處于活動(dòng)狀態(tài)的銅纜，最大長(cháng)度約為3m，而光纜的長(cháng)度可擴展至數十米。外圍系統會(huì )接收Thunderbolt信號，并將其送至另一控制器中，使其在終端提取PCIExpress與DisplayPort信號。 迷你DisplayPort連接器可在本地DisplayPort模式或Thunderbolt模式下工作，但由于使用的是同一引腳，這兩種工作模式無(wú)法同時(shí)實(shí)現。如圖2所示，控制器外部會(huì )設一個(gè)MUX集成電路(IC)，用來(lái)控制Thunderbolt模式信號或DisplayPort模式信號的切換。 高速信號設計的挑戰 對設計工程師來(lái)說(shuō)，信號完整性是10Gbps以上數據速率傳輸所面臨的一大挑戰。這一問(wèn)題一般是由信號本身的電磁特性引起的，會(huì )導致EMI/EMC信號衰減，進(jìn)而縮短接收或終端側的時(shí)間窗口并導致信號質(zhì)量惡化。在設計過(guò)程中，工程師必須特別注意反射噪聲、電源噪聲和串擾噪聲的影響。通過(guò)電路板中殘段(stub)產(chǎn)生的阻抗失配反射可使噪聲隨著(zhù)不斷增大的頻率/距離而增強。因此，應避免在PCB各層之間使用語(yǔ)音干擾分析裝置(VIAS)。 在走線(xiàn)布線(xiàn)期間，應使10Gbps信號駐留在PCB的某一層上，而不要穿越其它層。所有線(xiàn)路都應避免90°的彎曲，理想狀況是徑向彎曲或大于135°的彎曲，如圖3所示。在高頻率信號設計中應設置至少4個(gè)PCB層：10Gbps信號層、數字邏輯控制信號層、電源層和接地層。 將終端電阻置于接收端可最大限度地降低生成的殘段長(cháng)度。在一個(gè)普通的電路線(xiàn)路布局中，生成的殘段始于主要的差分信號對到終端連接器，且線(xiàn)路長(cháng)度應為最短。最佳方法就是將Thunderbolt接口芯片置于距離連接器最近的地方。 使用契合阻抗差分線(xiàn)路�？墒褂镁o密耦合的邊緣耦合帶狀線(xiàn)或微帶線(xiàn)，以確保接收器能夠抑制共模噪聲(如圖4所示，s距離被最小化)。將10Gbps差分對視為一個(gè)獨特的信號，通過(guò)抑制或縮小線(xiàn)路的傾斜度來(lái)保持平衡。 高速接口設備周邊的供電設計也是一個(gè)重要的考量因素。良好的供電設計是在電源和接地層中使用薄膜電介質(zhì)(2mil~4mil，1mil=0.0254mm)，從而為PCB電源電路創(chuàng )造一個(gè)平面電容，并將電源層和接地層用作旁路電源。這樣一來(lái)就可以很容易地增加額外的外部旁路電容器，同時(shí)也可以節約BOM成本。剩余的外部旁路可使用小型(0603)X7R電容器，然后要密切留意這些電容器的共振頻率，因為這有可能會(huì )導致旁路功能失效。 另外一個(gè)需要密切留意的參數就是抖動(dòng)。這種信號失真形式會(huì )沿著(zhù)數據路徑累積，分隨機性抖動(dòng)(Rj)和定量性抖動(dòng)(Dj)兩種。所有的導電材料都會(huì )出現一定程度的信號衰減，因而會(huì )抑制抖動(dòng)并縮小數據路徑接收端的眼圖開(kāi)口度。使用再驅動(dòng)器/中繼器等信號完整性產(chǎn)品可恢復眼圖質(zhì)量并減小比特誤碼率(BER)。 由于時(shí)間窗口較小，10Gbps數據傳輸速率更易受抖動(dòng)的影響。阻抗失配可以減少時(shí)間抖動(dòng)容許量。配有適當濾波和旁路功能的清潔電源對于減少抖動(dòng)來(lái)說(shuō)也是非常必要的。為此，應在有源IC的各個(gè)VCC引腳旁安裝一個(gè)低ESR的0.1μF去耦電容器。 控制器與迷你DP連接器之間視頻與非視頻數據都會(huì )復用和路由至迷你DP連接器上，這是通向外部空間的一個(gè)主要Thunderbolt接口。Thunderbolt控制器配有一個(gè)內部處理器，可控制外部MUXIC的切換。連接器配有一個(gè)熱插拔檢測(HDP)引腳，可根據插入設備類(lèi)型告知處理器切換到相應信號(如表2所示)。 針對Thunderbolt控制器與連接器之間的MUXIC，可從 p位于Thunderbolt控制器、MUXIC與連接器之間的10Gbps差分對是十分關(guān)鍵的信號路徑。一般會(huì )有兩個(gè)10Gbps發(fā)送信號對(HS0TX與HX1TX)和兩個(gè)10Gbps接收對(HS0RX與HS1RX)。HS1RX差分信號對通過(guò)3:1MUX進(jìn)行切換，因此要確保MUX的動(dòng)態(tài)特性參數(如差分插損、差分回損、串擾、隔離性及傾斜度)不會(huì )導致10Gbps信號惡化。所有的10Gbps信號必須位于同一PCB層上，不應穿過(guò)其它任何一層。這些信號應呈條狀線(xiàn)或微帶線(xiàn)分布，且應完美契合，以避免出現傾斜。 接口中有多個(gè)10Gbps差分信號對。使用微帶線(xiàn)時(shí)，為了實(shí)現最佳的信號完整性，應確保兩個(gè)差分信號對之間的距離(D)為差分信號間缺口距離的兩倍以上，這樣就可以最大限度地減少兩個(gè)差分信號對之間的串擾。當差分信號對離開(kāi)MUXIC或控制器IC時(shí)，將差分線(xiàn)路(S)的長(cháng)度設為3H,具體細節參考圖5。 所有的高速及低速差分對都會(huì )AC耦合到Thunderbolt控制器中。根據Thunderbolt互聯(lián)規范，10Gbps接收路徑的AC耦合電容器值應介于0.34μF和0.6μF之間，發(fā)送路徑的值應介于0.17μF~0.3μF之間。在該示例設計中，發(fā)送路徑上使用的是0.22μF的電容器，而接收路徑上使用的是0.47μF的電容器。此外，AC耦合電容器的大小應與微帶線(xiàn)PCB線(xiàn)路的寬度相匹配，以減少信號丟失或阻抗失配。如圖6所示，電容器應并行放置，且彼此之間不得相互抵消。更可取的做法是將電容器置于傳輸線(xiàn)對的終端。 在整體設計過(guò)程中，在控制器與連接器之間使用低成本ThunderboltMUX可最大限度地減少外部組件的數量。這樣一來(lái)，只要滿(mǎn)足了所有高速電路板設計指南的要求，這一架構方案就可使速率高于10Gbps的信號以一種直接、可靠的方式進(jìn)行路由。 |
